後晶片時代
撰文／Peter Bentley｜譯者／畢馨云
轉載自《BBC知識》2018年8月第84期
相較於50年前的電腦處理器，如今處理速度不只快，而且快得嚇人──速度大約每兩年就會翻一倍。英特爾（Intel）共同創辦人Gordon Moore早在1965年就預言這樣的進展，所以這種倍增效應被命名為摩爾定律。如果汽車的最高時速也從1965年遵照相同趨勢倍增，那麼現在我們在英國銀石（Silverstone）賽道會看到F1車手Lewis Hamilton以時速超過177億公里飛馳而過。
對電腦產業來說，摩爾的預測成為金科玉律，甚至是自我應驗的預言。晶片製造廠受到刺激，也想達到摩爾定律預測的能力，於是發展出更為不同凡響的方法，縮小必要元件以便放進面積越來越小的矽晶片上，並加快這些元件在過程中交互作用的速度。
時至今日，由於大型積體電路可製造功能日益強大的微處理器，電腦產業已改變了世界。從食品配銷到運輸，我們幾乎將生活每個層面數位化，同時創造了老舊處理器絕對無法達到的新技術，如社交媒體、線上遊戲、機器人科學、擴增實境、機器學習等等。
摩爾定律促成了這些轉變，但超乎尋常的進展在我們看來已不足為奇，很多軟體公司基本上假設這種進展會持續下去。然而我們每天製造的數據越來越多，需要極大的電腦倉庫（稱為雲端）來儲存處理數據；當我們製造越多數據，用來分析數據的運算能力就必須越強大。
不過矽晶片不會永遠突飛猛進，我們正走向這個了不起的科技爆炸的盡頭，即將用盡讓電腦變得更快的方法。儘管研究工程師竭盡全力，電晶體縮小的空間仍有限。以蘋果的A11晶片為例，它是當前最好的晶片之一：87.66平方公釐的面積上有43億個電晶體。如果要做得比這更小，電晶體就會因為太小，導致量子物理效應干擾，電子會跳來跳去，出現在不被我們預期的地方。若是空間太小，也難以安排矽晶圓的精細結構，這對於控制其電性質極為重要。若封裝太多電晶體讓它們運作得更快，晶片裡的受限電子流就可能讓晶片持續升溫，如果不刻意冷卻，它會因而燃燒。
科技新頁
這些問題困擾晶片製造廠幾十年了，他們只能盡力避開。我們曾見識微處理器的時鐘速率（電腦的基本運作速度）年年增加，使運算更加快速：1991年有25MHz的i486處理器、1998年是200MHz的PentiumPro處理器、2008年則有3.8GHz的Pentium4。然而這些是在我們還有辦法冷卻微處理器的情況下，所能達到的最快速度。在這之後，製造廠不得不採用多核心，好讓處理器能夠平行處理，以便加快運算速度：首先是雙核心，再來是四核心、八核心、16核心等等。
如今很難再按照摩爾定律預測的進展速度，而且還很昂貴，因此幾乎所有的晶片製造廠都放棄競爭。既然朝這個方向發展不再具成本效益，負責尖端新型晶片製程的研發實驗室也出現大幅衰退──摩爾定律的時代差不多要結束了。
而晶片大廠現在把主力放在專為加速特定運算類型而設計的晶片上，最常見的例子就是圖形處理器。它原本是為了平行執行很多類似運算而發明的，以便做到電腦遊戲所需的極快速圖像，現在已經發展成通用處理器，用於數據分析與機器學習。其他公司也推出了專屬的特殊應用積體電路（ASIC），譬如Google的張量處理單元（TPU）；Google為了以領先業界的速度執行機器學習軟體，開發了TPU，它是排列成256個晶片群的電路（這些晶片全部平行運作），近期已進入軟體beta測試階段（又稱確認測試）。
因此我們也許不該把摩爾定律的結束視為盡頭，離終點還遠得很！我們現在身處技術革新的另一頁，有些新的電腦架構和技術，數十年來頭一遭受到正視。這些新技術顯示，雖然運算的未來不再呈指數增長，但進展仍會持續。這有機會加快傳統運算，也有可能讓我們以全新方式處理資訊。接下來為您介紹，當摩爾定律謝幕時，其他會使運算世界發生大變革的技術。
權宜之計
在集中火力發展下一代處理器技術之前，我們還是會繼續從其他構想中勉強維持進展速度。現在雖然有越來越多針對特定運算形式的奇特處理器設計，不過製造新晶片的過程既緩慢又花錢。替代方案之一是現場可程式化邏輯閘陣列（FPGA），它是能夠重新配置的晶片，我們不須製造新晶片，就能改變內部電路並有效做出新的硬體。目前FPGA加速器有越來越多的應用，從倫敦的飛快自動交易，到分析數據的加速機器學習與人工智慧。儘管這並非新技術，最新的FPGA還是有更大的容量，可以利用與傳統程式類似的語言來重新配置，讓任何人不必成為電腦高手，也能做出自己的硬體。
量子計算
Intel的17量子位元超導測試晶片。（圖片來源： Intel Corporation）
取代傳統矽晶片的所有候選者中，大家最熟悉的大概是量子計算。與其讓量子效應阻撓微小電晶體運作，何不利用這種細微量子效應打造元件？量子計算仰賴的基本要素叫做量子位元（qubit）。普通位元（用於傳統計算的基本資訊單位）的值不是0就是1，好比一顆球的北極與南極，但量子位元的值可表示球面上任何位置，這使得量子位元能夠以更少的能量處理更多資訊。
如今有數個量子電腦的早期例子，各遵循IBM、Google、Rigetti、Intel略微不同的設計。最後哪家公司與哪類型的量子電腦會勝出，並主導這個奇特的新型計算領域，仍有待觀察，不過光是初期結果就讓人覺得大有可為。
憶阻器
憶阻器（memristor）剛開始是位電路理論學家在1970年代初期設想出來的電子元件，他的構想是這個元件會記住通過其上的電流，而它的電阻會隨此紀錄而變動。它被設計成基本電路元件，就像電晶體或電容器一樣重要。
只要配置正確，憶阻器就可以完全取代電晶體。比起電晶體，憶阻器可以用更高的密度配置，所以能夠製成更快的處理器或容量更大的記憶體。有些人因此認為，憶阻器是模擬神經網路與執行機器學習的理想元件。不過儘管理論上可行，已證明難以真的製出憶阻器。雖然去年已推出第一批商用憶阻器，但這些憶阻器是否和原先設想的版本相同，大家還無法達成共識。
石墨烯處理器
IBM 研究部的石墨烯晶片。（圖片來源：IBM）
很多新興奇特材料有可能應用於電子學，比方說導電性極優的石墨烯，這種不尋常的熱門新材料是由碳分子晶格所構成，硬度是鑽石的40倍。
美國數所大學最近做的研究，是利用石墨烯製造出速度比矽晶快1,000倍的電晶體。由於電阻較小，石墨烯處理器的速度有可能提高1,000倍，用電量還比傳統技術來得少。
活體晶片
許多研究人員正設法打造以腦神經元為靈感的電腦，舉例來說，由歐盟資助的大型人腦計畫（HBP），就在研究如何製造出模擬大腦運作方式的演算法和電腦。然而有些研究人員更具雄心：Koniku是第一家致力使用活體神經元製造電腦的公司。創辦人Oshiorenoya Agabi說，「我們的根本想法就是，可以實際使用真正的、有生命的神經元運算。」Koniku公司的目標是透過改變DNA，培育活體神經元，然後讓這些神經元在「活體晶片」上存活並運作長達兩年。Koniku公司表示，最終可能會發展成用於安全和軍事用途的生物處理器，可偵測毒品或爆裂物的氣味。
(本文由教育部補助「AI報報─AI科普推廣計畫」取得網路轉載授權)